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Aula 20 – Condução de Eletricidade nos Sólidos Física 4 Ref. Halliday – Volume4 Profa. Keli F. Seidel

Aula 20 – Condução de Eletricidade nos Sólidos · Descobrindo o Núcleo; Algumas Propriedades Nucleares; Profa. ... A força que controla a estrutura eletrônica e as propriedades

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Aula 20 – Condução de Eletricidade nos Sólidos

Física 4

Ref. Halliday – Volume4

Profa. Keli F. Seidel

Sumário Capítulo 41 – Condução Elétrica nos Sólidos

Transistores; Supercondutores;

Capítulo 42 – Física Nuclear Descobrindo o Núcleo; Algumas Propriedades Nucleares;

Profa. Keli F. Seidel

Transistores

Profa. Keli F. Seidel

  Existem  várias  diferentes  estruturas  de  transistores,  como  por exemplo:

 Transistor bipolar, Transistor de base­metálica, transistor de base­permeável,  transistor  de  efeito  de  campo  (FET,  MOSFET, MISFET, OFET, etc), transistor de filme fino (TFT), etc, etc;

São  dispositivos  eletrônicos  com  três  terminais  e  são  usados  como amplificadores de sinais;

Transistores

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  Transistor  de  Efeito  de  Campo  “tradicional”  (FET  ­  field  effect transistor ou OFET – organic field effect transistor)

Transistores

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 Transistor de Efeito de Campo Convencional (FET)

Transistores

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 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)

Transistores

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 Representação esquemática do Transistor pnp ou npn;

n np

Emissor    Base     Coletor

Modo de operação de base-comum

Transistores

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 Representação esquemática do Transistor pnp ou npn;

n np

Emissor    Base     Coletor

 Polarização Inversa   Polarização Direta

Transistores

Profa. Keli F. Seidel

 Representação esquemática do Transistor pnp ou npn;

Modo de operação de base-comum

Polarização direta – diminui V0;

Polarização inversa – aumenta V0;

n p n

Transistores

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 Representação esquemática do Transistor de Base­metálica ou Base­permeável;

Supercondutores

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  Já  vimos  que,  a  medida  que  reduzimos  a  temperatura  de  um condutor, a resistividade torna­se menor;

O que acontece quando diminuímos a  temperatura de um condutor   para próximo do zero absoluto????

Lembre­se que, de acordo com a teoria quântica, os átomos retêm um dado nível mínimo de movimento vibratório, mesmo a zero absoluto;

  Muitos  materiais,  apresenta  um  tipo  de  comportamento  bem específico  (supercondutividade), porém,  isso não ocorre com  todos os condutores em que a  temperatura é diminuída para o (ou próximo do) zero absoluto (T=0 K);

Supercondutores

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 Em 1911, o físico holandês Kammerlingh Onnes, estava estudando a resistividade do mercúrio a baixas temperaturas (~ 4K), e percebeu que ocorria  um  comportamento  incomum  onde  o  mercúrio  subitamente perde  toda  a  sua  resistividade  e  torna­se  um  condutor  “perfeito”, chamado supercondutor; 

A resistividade de um supercondutor não é apenas muito pequena, é nula! Cuidado com esta  informação   não  tente usá­la em equações de  física clássica poque →isto não estará correto. O comportamento em supercondutores são descritos pela física quântica; 

 A temperatura na qual o material se torna supercondutor é chamada de sua temperatura crítica Tc;

 Esse  fenômeno não ocorre para  todos os condutores. Por exemplo, não foi observado nos melhores condutores metálicos como o (Cu, Ag e Au); 

Supercondutores

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  Comportamento  de  alguns  condutores  (e  supercondutores)  em relação à variação da temperatura

Supercondutores

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  Esses  resultados  sugerem  que  os  mecanismos  que  geram  a supercondutividade    diferem  dos  mecanismos  que  causam  a condutividade nos metais (supercondutividade não se explica por estrutura de bandas de energia);

 Como será apresentado, a supercondutividade  resulta  da forte união entre os elétrons de condução e a rede;

 Quando um elétron movimenta­se numa rede, atrai núcleos de  íons positivos  em  sua  direção  e  altera  a  densidade  de  carga  em  sua vizinhança;

  A  Teoria  da  Supercondutividade  BCS  (Bardeen­Cooper­Schrieffer,  1957,  com  prêmio  Nobel  em  1972)  mostra  que  o  sistema eletrônico contém a menor energia possível se os elétrons são  ligados juntos  aos  pares,  chamados  de  pares  de  Cooper  (comporta­se  ­  spin inteiro ­ Bóson);

Supercondutores

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  A  supercondutividade  é  um  fenômeno  coletivo.  Se  alguns  pares de Cooper  forem  formados,  a  redução  da  energia  que  acontece  para  o próximo  par  é  maior  do  que  seria  se  nenhum  par  tivesse  sido anteriormente formado;

 A mudança do estado normal para o supercondutor é muito brusca;

 Mais  recentemente  (~1986) uma nova classe de  supercondutores  foi descoberta. Supercondutores de altas* temperaturas como, por exemplo, o óxido de cobre em combinação com outros diversos elementos;

 Porém, para esta nova classe, a  teoria BCS não consegue explicar o mecanismo de supercondutividade;

*  temperaturas próximas a aproximadamente ­20o C são consideradas altas quando comparadas à ~4 Kelvin!

Supercondutores Efeito Meissner

 Ao atingir a temperatura crítica os supercondutores não apenas tem sua  resistividade  nula  mas  também  comportam­se  como  materiais diamagnéticos (Diamagnetismo é o termo utilizado para designar o comportamento dos materiais serem ligeiramente repelidos na presença de campos magnéticos fortes)

Há uma repulsão do campo magnético!

Vídeo sobre levitação magnéticahttps://www.youtube.com/watch?v=Z4XEQVnIFmQ

Supercondutores

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 Possíveis Aplicações

A  energia  poderia  ser  transportada  em  fios  elétricos  sem  perdas resistivas;

  Eletroímãs  Supercondutores  –  são  capazes  de  produzir  maiores correntes  e  gerar  maiores  campos  magnéticos  (utilizados  em  trens  de levitação  magnética  e  ímãs  de  flexão  para  feixes  de  partículas  em grandes aceleradores)

  **As  partes  dos  componentes  eletrônicos  formados  por supercondutores  em  circuitos  eletrônicos  não  gerariam  aquecimento Joule (miniaturização ao circuitos);  

Supercondutores

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 Possíveis Aplicações

Efeito Meissner   Trens de levitação magnética (Maglev)→o único atrito seria entre o trem e o ar   (velocidades de 650 km/h →seriam realidade?!)

Maglev em Xangai

Assista: ilustração - https://www.youtube.com/watch?v=JOLFXkeC8L4

Física Nuclear

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Capítulo 42 – Física Nuclear

Física Nuclear

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 O núcleo ocupa apenas 10­15 do volume do átomo, mas é responsável pela  maior  parte  de  sua  massa,  assim  como  a  força  que  o  mantém coeso;

Agora  nosso  objetivo  é  compreender  a  estrutura  do  núcleo  e  a subestrutura dos seus componentes;

 Assim como os átomos, os núcleos têm estados excitados que podem decair  para  o  estado  fundamental  através  da  emissão  de  fótons  (raios gama);

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 A Descoberta do Núcleo

  Foi  Rutherford,  em  1911,  que  interpretando  alguns  experimentos desenvolvidos  em  seu  laboratório,  concluiu  que  a  carga  positiva  do átomo  estava  densamente  concentrada  no  centro  do  átomo  (núcleo atômico);

 Dois anos mais tarde, Niels Bohr utilizou o conceito semiclássico de átomo nuclear para descrever a estrutura atômica;

Mas como foi que Rutherford chegou a essa conclusão???

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 Rutherford observou um experimento proposto por Hans Geiger (o famoso contador Geiger) e Ernest Marsden (um estudando de 20 anos que não tinha se graduado);

Em sua análise, lançou partículas alfa energéticas através de uma fina folha­alvo  e  mediu  como  as  partículas  eram  defletidas  à  medida  que passavam a folha;

Partículas  alfa  têm  cerca  de  7300  vezes  mais  massa  do  que  os elétrons,  transportam  uma  carga  de  +2e  e  são  emitidas espontaneamente  (com  energias  em  torno  de  MeV)  por  diversos materiais radioativos;

                                   Veja Figura...

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 A Descoberta do Núcleo

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 A Descoberta do Núcleo

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Analisando  os  dados,  Rutherford concluiu  que  as  dimensões  do  núcleo devem ser menores do que o diâmetro de um átomo segundo um fator de 104;

O  átomo  é,  em  sua  grade  parte,  um espaço vazio!!!

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Exemplo 42­1

Uma partícula alfa () de 5,30 MeV desloca­se diretamente em direção ao  núcleo  de  um  átomo  de  ouro  (Z=79).  A  que  distância  ela  se aproxima  antes  de  atingir  momentaneamente  o  repouso  e  inverter  o sentido  do  movimento?  Despreze  o  retrocesso  do  núcleo  de  ouro (relativamente de massa maior).

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Propriedades dos Núcleos

  AZX

Onde X representa o símbolo químico do elemento.                                        

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Propriedades dos Núcleos

Quando  estamos  interessados  nas  propriedades  dessas  partículas como  espécies  nucleares  (e  não  como  parte  do  átomo),  elas  são chamadas de Nuclídeos;

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Propriedades dos Núcleos

Isótopos do Hidrogênio

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Propriedades dos Núcleos

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Propriedades dos Núcleos

Lembrando que a ordem de grandeza das distâncias atômicas era de ~10-12 m

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A Força Nuclear

A  força  que  controla  a  estrutura  eletrônica  e  as  propriedades  do átomo é a familiar força de Coulomb;

Porém,  para  manter  o  núcleo  coeso,  é  necessário  que  exista  uma força  de  atração  forte  de  natureza  “nova”  agindo  entre  nêutrons  e prótons, denominada Força Forte;

A  Força  Forte  tem  o  mesmo  caráter  entre  qualquer  par  de constituintes nucleares, sejam eles nêutrons ou prótons;

A Força Forte tem um alcance pequeno (~10  ­15 m). Assim, a atração entre  pares  de  núcleons  cai  rapidamente  a  zero  para  uma  separação entre núcleons maior do que um determinado valor crítico;

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A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N) 

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A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N) 

Os  nuclídeos  estáveis  mais leves  tendem  a  ficar  situados próximos à linha (Z=N);

Já  os  nuclídeos  estáveis pesados  ficam  situados  bem abaixo  desta  linha  (tem  muito mais nêutrons do que prótons);

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